基于超声波测距的盲人导航器设计

　　中国是世界上盲人最多的国家,视力障碍或全盲者,占全世界4 500万盲人总数的20%左右[1].由于生理上的缺陷,盲人在生活、工作等方面有着诸多不便,其中,如何安全行走是盲人生活中最大的问题.为此导盲机器人、无线电红外线、盲人电子眼镜、卫星导盲系统等现代化导盲手段正逐步走进盲人的生活,增强了盲人的行走能力,提高了盲人的生活质量[2, 3].而传统的盲人导航设施都有局限性,比如费用高、定位范围小、受环境影响较大等.超声波具有方向性强、能量易于集中、传播距离较远,以及对障碍物定位具有一定的精确性、体积相对较小、方便携带、价格低廉等特点.本文采用超声波测距实现盲人导航器的设计,具有一定的实用价值.

　　1 超声波测距原理

　　超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波时,将电能转换成机械振动而产生发射超声波;在收到回波时,则将超声振动转换成电信号[4, 5].超声波测距时,在控制电路的控制下,超声波发射探头向前发射10个超声波,当超声波在空气中遇到障碍物时,就会被反射回来,并通过超声波接收探头转换成电信号,由控制器判别回波信号.超声波在空气中的传播速度为已知,来回穿越时间是相等的,只要测量出发射声波和接收声波的时间差,乘以传播速度,就能计算出发射点到障碍物的实际距离.如图1所示.

　　系统利用AT89S52单片机的定时功能实现对超声波信号进行准确的计时,从而实现高精度的距离测量.如果物体之间的距离用L表示,测得往返的传播时间为T=T1+T2,在空气中的传播速度用C(m/s)表示,则障碍物的距离为:

　　2 系统硬件设计

　　2.1 系统结构

　　本文设计基于超声波测距的盲人导航器系统框图如图2所示.

　　系统由ATMEI公司生产的AT89S52单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、LCD显示电路和语音模块组成.AT89S52作为整个系统的控制器,协调各部分电路工作.通过AT89S52的P1.0管脚产生使能信号,使超声波发射电路产生40kHz的脉冲信号,并驱动超声波传感器发射超声波.当第一个脉冲发射后,启动计数器开始计数,超声波回波信号通过放大和判别后送到单片机的外部中断器,单片机一旦接收到回波信号,便产生外部中断,单片机AT89S52停止计数器计数,从而得到超声波的穿越时间,最后利用式(1)计算出距离,并由显示电路显示和语音模块播音提示.

　　2.2 超声波发射电路设计

　　该系统使用的是TCT40-10系列的超声波探头,该探头的工作频率为40kHz,为了产生40kHz的方波信号,采用NE555芯片组成一个间接反馈无稳电路,发射电路如图3所示.